セルML

CellMLは、数学モデルを記述するためのXMLベースのマークアップ言語です。理論的にはあらゆる数学モデルを記述できますが、もともとPhysiomeプロジェクトを念頭に置いて作成されたため、主に生物学分野に関連するモデルを記述するために使用されました。これはCellMLという名前に反映されていますが、これは単なる名前であり、略語ではありません。^[1] CellMLは、計算モデルのポータブルな記述形式として人気が高まっており、世界中のグループがCellMLを使用してモデリングしたり、CellMLに基づくソフトウェアツールを開発したりしています。CellMLは、システム生物学マークアップ言語SBMLに似ていますが、モデルのモジュール性と再利用の範囲が広く、生化学の記述に特化していません。

CellML 言語は、世界中の多くの場所にいる研究者の間で心臓細胞ダイナミクスのモデルを共有する必要性から生まれました。1998 年に結成された最初のワーキング グループは、David Bullivant、Warren Hedley、Poul Nielsen で構成されていました。3 人は当時、オークランド大学の工学科学部に所属していました。この言語は、ワールド ワイド ウェブ コンソーシアムによって開発された XML 仕様のアプリケーションでした。XML を使用するという決定は、1998 年後半の Warren Hedley と André (David) Nickerson の推奨に基づいていました。既存の XML ベースの言語は、数学 (コンテンツMathML )、メタデータ ( RDF )、およびリソース間のリンク ( XLink ) を記述するために活用されました。CellML ワーキング グループがSBML の取り組みを初めて認識したのは、2000 年後半、Warren Hedley が東京で開催された第 2 回システム生物学向けソフトウェア プラットフォーム ワークショップに参加したときでした。

ワーキング グループは、Physiome Sciences Inc. の多数の研究者 (特に Melanie Nelson、Scott Lett、Mark Grehlinger、Prasad Ramakrishna、Jeremy Rice、Adam Muzikant、および Kam-Chuen Jim) と協力して、最初の CellML 1.0 仕様の草案を作成し、2001 年 8 月 11 日に公開しました。この最初の草案に続いて、CellML メタデータの仕様と、<import> 要素を追加してモデルの構造化されたネストに対応するように CellML を更新しました。Physiome Sciences Inc. は、最初の CellML 対応ソフトウェアも作成しました。コネチカット大学ヘルス センターの National Resource for Cell Analysis and Modeling (NRCAM) も、Virtual Cellと呼ばれる初期の CellML 対応ソフトウェアを作成しました。

2002 年に CellML 1.1 仕様が書かれ、インポートが追加されました。インポートにより、外部コンポーネントをモデルに組み込むことができるようになり、モジュール モデリングが可能になります。この仕様は 2006 年初頭に凍結されました。メタデータやその他の仕様に関する作業は継続されています。

2009 年 7 月に CellML Web サイトが完全に刷新され、新しい CellML リポジトリ ソフトウェア (PMR2) の初期バージョンがリリースされました。

2020年7月にCellML 2.0 ^[2]仕様が公開され、リセットが追加されました。リセットにより、規定の条件が満たされた場合に変数の値を任意の値に設定できるようになりました。コンポーネントの再利用性を高めるために接続間の方向性が削除され、単位の定義はモデルのみに制限されました。

CellML 2.0 仕様をサポートするために、アプリケーション開発者にモデルベースの API C++ ライブラリを提供する libCellML プロジェクトが 2015 年に開始されました。ライブラリはすぐに拡張され、Javascript、Julia、Python のサポートが提供されるようになりました。ソフトウェアの最新リリースはバージョン 0.5.0 です。ライブラリのバージョン 0.5.0 は、CellML 2.0 仕様の大部分をサポートし、CellML 1.1 および CellML 1.0 モデルの読み取りもサポートしています。注目すべき点は、libCellML ライブラリが古い CellML 標準への書き込みをサポートしていないことです。

CellML モデルは、それぞれ独自のコンポーネント要素で記述された多数のコンポーネントで構成されます。コンポーネントは、モデリングの利便性のために作成された完全に概念的なエンティティである場合もあれば、実際の物理的な解釈を持つ場合もあります (たとえば、細胞膜を表す場合があります)。

各コンポーネントには多数の変数が含まれており、コンポーネント内に変数要素を配置して宣言する必要があります。たとえば、細胞膜を表すコンポーネントには、細胞膜の電位差 (電圧) を表す V という変数があります。

変数間の数学的関係は、 MathMLを使用してコンポーネント内で表現されます。MathML は、宣言的な表現を作成するために使用されます (コンピュータプログラミング言語の手続き型ステートメントとは異なります)。ただし、ほとんどの CellML 処理ソフトウェアは、限られた範囲の数式しか受け入れません (たとえば、一部の処理ソフトウェアでは、等式の片側に 1 つの変数がある方程式が必要です)。MathML を選択すると、CellML は微分方程式を含むモデルを記述するのに特に適しています。確率モデルやその他の形式のランダム性を表現するメカニズムはありません。

コンポーネントは、接続要素を使用して他のコンポーネントに接続できます。接続要素は、接続する 2 つのコンポーネントの名前と、2 番目のコンポーネントの変数にマップされる最初のコンポーネントの変数を記述します。このような接続は、1 つのコンポーネントの変数が別のコンポーネントの別の変数と同等であることを示すステートメントです。

CellML モデルでは、コンポーネント間の関係を表現することもできます。CellML 仕様では、カプセル化と包含の 2 種類の関係が定義されていますが、ユーザーはさらに他の関係を定義できます。包含関係は、あるコンポーネントが物理的に別のコンポーネント内にあることを表現するために使用されます。カプセル化関係は、モデルの残りの部分の解釈に影響を与える唯一の関係であるため、特別です。カプセル化の効果は、他のコンポーネントの下にカプセル化されたコンポーネントがプライベートになり、カプセル化ツリーのすぐ上にあるコンポーネント以外からはアクセスできないことです。モデラーはカプセル化を概念的なツールとして自由に使用でき、必ずしも物理的な解釈は必要ありません。

CellML は、モデルに注釈を付けたりシミュレーションを指定したりするために使用される、コア仕様とメタデータの追加仕様によって定義されます。

CellML 1.0 は最初の最終仕様であり、CellML モデル リポジトリ内の多くのモデルを記述するために使用されます。

CellML 1.0 には、反応モデル内の変数の役割を記述するための生化学特有の要素がいくつかあります。

CellML 1.1 では、コンポーネントと単位をインポートする機能が導入されました。この機能を完全にサポートするために、CellML 1.1 の変数は初期値として変数名を受け入れます。

CellML 2.0 ではいくつかの重要な変更が行われました。変更内容は次のとおりです。

• 状態変数をリセットする機能を導入しました。
• 接続の方向性を削除しました。
• 単位はモデル レベルでのみ定義できるようになりました。

CellML には、モデルに注釈を付けたり、モデルのシミュレーションを実行および/または視覚化するための情報を提供するために使用されるいくつかのメタデータ仕様があります。

• メタデータ 1.0 仕様は、関連する参照、著者情報、モデルが関連する種など、さまざまな情報でモデルに注釈を付けるために使用されます。
• シミュレーション メタデータは、CellML モデルを使用して特定のシミュレーションを再現するために必要な情報を提供します。
• グラフ化メタデータは、たとえば論文から特定のグラフを再現するなど、シミュレーション出力の特定の視覚化を指定するための情報を提供します。

CellML.org は、CellML コミュニティの中心となることを目指しています。メンバーはモデルを提出、レビュー、更新し、コミュニティからフィードバックやサポートを受けることができます。CellML ディスカッション メーリング リストは、CellML-discussion メーリング リストにあります。このメーリング リストの範囲には、CellML の開発と使用に関連するすべての内容が含まれます。

CellML にエンコードされた数百の生物学的モデルのリポジトリは、CellML コミュニティ Web サイトの CellML モデル リポジトリにあります。これらのモデルは、遺伝子オントロジーなどの生物学的オントロジーによる注釈の提供と、質量、電荷、エネルギーの保存などの単位バランスおよび生物物理学的制約の標準に対するモデルの検証を 目的としたキュレーション プロセスが積極的に行われています。

• CellMLホームページ
• IUPS フィジオーム プロジェクト
• フィジオームJAPANプロジェクト
• インタラクティブな細胞モデル、CellML 心臓モデルの Java バージョン多数。

• SBML
• バイオパックス